综述：胶束和膜中氢氘交换质谱技术在小分子及生物制药开发中的应用

（推荐语）本综述系统阐述了氢氘交换质谱（HDX-MS）技术在膜蛋白结构动态研究中的突破性应用，聚焦于药物靶点如G蛋白偶联受体（GPCRs）和转运蛋白的构象指纹分析，揭示了其在配体筛选、膜环境模拟及疾病机制解析中的独特优势，为基于结构的药物设计提供了高分辨率动态视角。

　　

引言

生物膜作为生命系统的天然屏障，其核心组分膜蛋白通过信号传导和物质运输调控细胞活动。近年来，氢氘交换质谱（HDX-MS）凭借无需标记、近生理条件检测的优势，成为解析膜蛋白动态构象的利器。该技术通过追踪肽链酰胺氢与氘的交换速率，揭示蛋白质在脂质环境中的折叠状态变化，弥补了冷冻电镜（cryo-EM）等静态结构技术的不足。

什么是HDX-MS？

HDX-MS的核心原理是将蛋白质置于氘代缓冲液中，通过质谱检测随时间推移的氘原子掺入量（图1）。膜蛋白研究的关键突破在于：

1. 膜环境兼容性：采用去垢剂或纳米盘（nanodiscs）模拟天然膜，结合氧化锆珠在线去除磷脂干扰；
2. 跨膜肽覆盖提升：酸性蛋白酶柱联用使跨膜区序列覆盖率超90%，如β₁
   -肾上腺素受体（β₁
   AR）的全长解析；
3. 高灵敏度：现代质谱仪仅需微克级样品，甚至可分析天然膜囊泡或细胞环境中的蛋白。

技术瓶颈在于多模态肽的数据解卷积——例如ABC转运蛋白P-gp在去垢剂DDM中>50%肽段呈现双峰分布，暗示其存在多构象态共存，需结合计算工具精准解析。

药物开发策略中的应用

GPCR动态指纹图谱
以β₁
AR和β₂
AR为例，HDX-MS揭示了配体特异性构象变化：

• 拮抗剂稳定细胞外环2（ECL2）和跨膜螺旋5（TM5）；
• 激动剂如异丙肾上腺素则使胞内环2（ICL2）和螺旋8（H8）动态性增加（图2）。
  这种“构象指纹”可预测偏向性信号通路激活，指导选择性药物设计。

抗生素耐药性突破
针对革兰阴性菌外排泵AcrAB-TolC复合体（771 kDa），HDX-MS锁定抑制剂NSC60339的结合位点——AcrA的αβ桶域，证实其通过限制蛋白柔性阻断药物外排，为克服耐药性提供新靶点。

神经疾病与膜破坏机制
α-突触核蛋白（αSN）与含POPG脂质的纳米盘作用时，N端形成双螺旋结构，促发淀粉样聚集。HDX-MS捕捉到这一病理早期事件，并验证抑制剂EGCG的干预效果。

膜蛋白HDX的思考

当前挑战包括：

1. 膜模拟局限性：去垢剂的侧向压力可能扭曲大分子（如ABC转运蛋白）的自然构象；
2. 动力学模型优化：跨膜区溶剂可及性差异需超越传统Linderstr?m-Lang模型；
3. 天然膜应用：囊泡或脂质体体系尚待标准化。

未来需整合冷冻电镜、电子顺磁共振（EPR）等多技术验证，推动HDX-MS在原生膜环境中的药物筛选应用。